JP4067371B2

JP4067371B2 - Fuel cell

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Publication number: JP4067371B2
Application number: JP2002279203A
Authority: JP
Inventors: 弘道吉田; 大介和知; 昌弘毛里; 洋介藤井; 成利杉田; 修平後藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: US20040115509A1; EP1403951B1; EP1403951A3; CA2442436C; JP2004119121A; EP1403951A2; CA2442436A1; US7326485B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔と反応ガス出口連通孔とを連通して前記電極に反応ガスを供給する反応ガス流路が形成された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを所定の数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この場合、電解質・電極構造体とセパレータとのシール性を向上させることが必要であり、例えば、図７に示す燃料電池が知られている（特許文献１参照）。この燃料電池では、燃料電池セル１と、この燃料電池セル１を挟持する第１および第２セパレータ２、３とを備えている。燃料電池セル１は、固体高分子電解質膜４と、この固体高分子電解質膜４を挟んで配設されるカソード側電極５およびアノード側電極６を有するとともに、前記カソード側電極５および前記アノード側電極６は、ガス拡散層５ａ、６ａと電極触媒層５ｂ、６ｂとを設けている。
【０００５】
固体高分子電解質膜４は、カソード側電極５およびアノード側電極６の外周からはみ出すはみ出し部を有しており、第１および第２セパレータ２、３には、前記はみ出し部に対応して溝部２ａ、３ａが形成されている。溝部２ａ、３ａに液状シール７が塗布されて、固体高分子電解質膜４のはみ出し部が密着されるとともに、カソード側電極５およびアノード側電極６のガス拡散層５ａ、６ａと電極触媒層５ｂ、６ｂとの端面が密着されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３１９６６７号公報（図７）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように、カソード側電極５およびアノード側電極６の外周を覆って設けられる液状シール７を、ガス拡散層５ａ、６ａと電極触媒層５ｂ、６ｂとの端面に確実に密着させることは、加工公差や組み立て公差等の関係から、実際上、極めて困難である。このため、液状シール７とガス拡散層５ａ、６ａとの間に隙間が発生し易く、この隙間に反応ガスが漏れる場合がある。これにより、酸化剤ガスや燃料ガスが、カソード側電極５やアノード側電極６の電極面を流れずに隙間を通って反応ガス出口に排出されてしまい、効率的な発電性能を維持することができないというおそれがある。
【０００８】
一方、図示していないが、電極面を冷却するための冷却媒体が供給される冷却媒体流路においても同様に、この電極面に沿って流れずに該電極面の周囲を通過して排出される冷却媒体が存在する場合がある。このため、冷却効率が低下するおそれがある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガス等の流体が所定の流体流路以外を流れることを有効に阻止し、簡単な構成で、所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔と反応ガス出口連通孔とを連通して前記電極に反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されている。そして、セパレータは、電極の周囲を覆ってシール部材を設けるとともに、前記電極の外周端面と前記シール部材とに密着し、前記電極の外周から反応ガス入口連通孔又は反応ガス出口連通孔に前記反応ガスが漏れることを阻止する充填シールが部分的に設けられている。
【００１１】
このため、反応ガスは、電極とシール部材との隙間を流れることがなく、前記反応ガスを電極面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能になる。しかも、電極とシール部材とに密着する充填シールを部分的に設けるだけでよい。これにより、構成が簡素化するとともに、経済的である。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、充填シールが、反応ガス入口連通孔の近傍と反応ガス出口連通孔の近傍とに配置されている。このため、特に反応ガスの漏れが発生し易い反応ガス入口連通孔の近傍および反応ガス出口連通孔の近傍を確実にシールすることができ、反応ガスの漏れが、簡単な構成で、可及的に低減される。
【００１３】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、反応ガス流路が屈曲する流路を含み、セパレータには、前記屈曲する流路から反応ガスが漏れることを阻止するために、該屈曲する流路に対応して充填シールが設けられている。従って、例えば、サーペンタイン型の反応ガス流路であっても、簡単な構成で、反応ガスの漏れを確実に防止することが可能になる。
【００１４】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、少なくとも１のセパレータには、電極を冷却する冷却媒体流路が形成され、前記１のセパレータは、前記冷却媒体流路の周囲を覆ってシール部材を設けている。そして、冷却媒体流路とシール部材との隙間には、該隙間に冷却媒体が漏れることを阻止する充填シールが部分的に設けられている。
【００１５】
従って、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔から冷却媒体出口連通孔に短絡して流れることがなく、冷却媒体流路に沿って良好に流れることができる。これにより、電極面の冷却効率が有効に向上するとともに、構成が簡素化されて経済的なものとなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の要部断面説明図である。
【００１７】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２が、第１および第２セパレータ１４、１６に挟持されて構成される。燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス入口連通孔）２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１８】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（反応ガス入口連通孔）２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００１９】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２０】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、図２に示すように、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（多孔質カーボン部材）３２ａ、３２ｂと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層３４ａ、３４ｂとを有する。電極触媒層３４ａ、３４ｂは、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２１】
図１に示すように、第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、例えば、２つの屈曲する流路３６ａ、３６ｂを含むサーペンタイン型の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。この酸化剤ガス流路３６は、図３に示すように、複数本の酸化剤ガス流路溝３８を備え、この酸化剤ガス流路溝３８は、水平方向（矢印Ｂ方向）に蛇行しながら重力方向（矢印Ｃ方向）に向かって設けられる。酸化剤ガス流路溝３８は、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとに連通するとともに、矢印Ｂ方向に一往復半だけ蛇行する流路構造を採用している。
【００２２】
第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ａには、図４に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通し、２つの屈曲する流路４０ａ、４０ｂを含むサーペンタイン型の燃料ガス流路（反応ガス流路）４０が形成される。この燃料ガス流路４０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在する複数本の燃料ガス流路溝４２を備える。
【００２３】
図１および図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、２つの屈曲する流路４４ａ、４４ｂを有しており、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在する複数本の冷却媒体流路溝４６を備える。
【００２４】
図１〜図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａには、カソード側電極３０を覆って、すなわち、酸化剤ガス流路３６、酸化剤ガス入口連通孔２０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを覆ってシール溝４８が形成され、このシール溝４８にシール部材５０が配置される。図２および図３に示すように、カソード側電極３０とシール部材５０との隙間５２には、この隙間５２に酸化剤ガスが漏れることを阻止する充填シール５４が部分的に設けられる。
【００２５】
この充填シール５４は、例えば、液状シールや固体充填シール等であり、酸化剤ガスが漏れ易い場所、例えば、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの近傍、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍、および屈曲する流路３６ａ、３６ｂの近傍に埋め込まれる。
【００２６】
図２および図４に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａには、アノード側電極２８を覆って、すなわち、燃料ガス流路４０、燃料ガス入口連通孔２４ａおよび燃料ガス出口連通孔２４ｂを覆ってシール溝５６が形成され、このシール溝５６にシール部材５８が配置される。
【００２７】
アノード側電極２８とシール部材５８との隙間６０には、充填シール６２が設けられる。この充填シール６２は、上記の充填シール５４と同様に燃料ガスが漏れ易い場所、例えば、燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍および屈曲する流路４０ａ、４０ｂの近傍に埋め込まれる。
【００２８】
図１に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体流路４４を覆ってシール溝６４が形成され、このシール溝６４にシール部材６６が配置される。冷却媒体流路４４とシール部材６６との隙間６８には、冷却媒体が漏れ易い場所、例えば、冷却媒体入口連通孔２２ａの近傍、冷却媒体出口連通孔２２ｂの近傍および屈曲する流路４４ａ、４４ｂの近傍に充填シール７０が埋め込まれる。
【００２９】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３０】
まず、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３１】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に蛇行しながら電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極３０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路４０に導入され、矢印Ｂ方向に蛇行しながら電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極２８に沿って移動する。
【００３２】
従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３４ａ、３４ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３３】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３４】
また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１および第２セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に蛇行しながら流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂから排出される。
【００３５】
この場合、第１の実施形態では、図２および図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａには、サーペンタイン型の酸化剤ガス流路３６が形成されるとともに、この酸化剤ガス流路３６を覆って形成されたシール溝４８には、シール部材５０が配置されている。そして、酸化剤ガス流路３６とシール部材５０との隙間５２には、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの近傍、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍、および屈曲する流路３６ａ、３６ｂの近傍に対応して充填シール５４が設けられている。
【００３６】
このように、第１の実施形態では、酸化剤ガスが隙間５２に漏れ易い場所に対応して充填シール５４が設けられるため、この酸化剤ガスは前記隙間５２に沿って流れることがなく、酸化剤ガスをカソード側電極３０の電極面内に確実に供給することができる。従って、酸化剤ガスがガス拡散層３２ｂからカソード側電極３０の外周を通って排出されることがなく、この酸化剤ガスを効率的に使用することができ、発電性能を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００３７】
しかも、酸化剤ガスが隙間５２に漏れ易い場所に対応して、充填シール５４を設けるだけでよい。このため、第１セパレータ１４の構成が有効に簡素化されるとともに、この第１セパレータ１４を経済的に製造することができる。
【００３８】
一方、図２および図４に示すように、第２セパレータ６の面１６ａには、上記の酸化剤ガス流路３６と同様に、サーペンタイン型の燃料ガス流路４０が形成され、この燃料ガス流路４０を覆ってシール部材５８が設けられている。そして、シール部材５８と燃料ガス流路４０との隙間６０には、燃料ガスが漏れ易い場所に対応して充填シール６２が設けられている。
【００３９】
これにより、燃料ガスがガス拡散層３２ａから隙間６０を通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出されることがない。従って、この燃料ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることができる等、第１セパレータ１４と同様の効果が得られる。
【００４０】
また、図１に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、サーペンタイン型の冷却媒体流路４４が形成され、この冷却媒体流路４４を覆ってシール部材６６が設けられている。さらに、シール部材６６と冷却媒体流路４４との隙間６８には、冷却媒体の漏れが発生し易い場所に対応して充填シール７０が設けられている。
【００４１】
このため、冷却媒体は、隙間６８に漏れることがなく、冷却媒体流路４４に沿って良好に流れることができる。これにより、電解質膜・電極構造体１２の電極面の冷却効率が有効に向上するとともに、経済的であるという利点がある。
【００４２】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の要部分解斜視説明図であり、図６は、前記燃料電池８０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体８２が、第１および第２金属セパレータ８４、８６に挟持されて構成される。電解質膜・電極構造体８２は、固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極８８およびカソード側電極９０とを備えるとともに、前記アノード側電極８８は、前記カソード側電極９０よりも大きな表面積を有している。アノード側電極８８を構成するガス拡散層３２ａは、カソード側電極９０を構成するガス拡散層３２ｂの外周部から外方に突出する外周縁部８５を設けている。
【００４４】
図６に示すように、第１金属セパレータ８４には、シール部材９２が配置され、あるいは、焼き付け等によって設けられている。シール部材９２は、アノード側電極８８を構成するガス拡散層３２ａの外周縁部８５に対応して、固体高分子電解質膜２６と第１金属セパレータ８４との間に配置されるシール本体部９４を備える。シール本体部９４には、ガス拡散層３２ｂの外周縁部と第１金属セパレータ８４との間に介装される流路形成部９６が一体的に形成される。
【００４５】
シール本体部９４は、固体高分子電解質膜２６の外周縁部と、酸化剤ガス入口連通孔２０ａおよび酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとを囲繞する（図５参照）。流路形成部９６は、シール本体部９４よりも薄肉状に成形されており、ガス拡散層３２ｂの外周縁部を周回するように設けられている。シール部材９２は、シール本体部９４に一体的に成形され、酸化剤ガス流路３６の折り返し部内に配置される２つの流路境界シール部９８を設ける。
【００４６】
図６に示すように、シール部材９２とカソード側電極９０を構成するガス拡散層３２ｂおよびガス拡散層３２ｂの端面との隙間９９には、この隙間９９に酸化剤ガスが漏れることを阻止する充填シール１００が部分的に設けられる。この充填シール１００は、例えば、液状シールや固体充填シール等であり、酸化剤ガスが漏れ易い場所、例えば、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの近傍、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍、および屈曲する流路３６ａ、３６ｂの近傍に埋め込まれる（図５参照）。
【００４７】
図５および図６に示すように、第１および第２金属セパレータ８４、８６間には、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路１０２が形成される。この冷却媒体流路１０２は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の冷却媒体流路溝１０４を備える。第１および第２金属セパレータ８４、８６間には、シール部材９２のシール本体部９４に対向する位置にシール部材１０６が介装される。冷却媒体流路１０２は、このシール部材１０６を介して冷却媒体入口連通孔２２ａおよび冷却媒体出口連通孔２２ｂに連通し、かつ気密に保持される。
【００４８】
このように構成される第２の実施形態では、シール部材９２とカソード側電極９０のガス拡散層３２ｂおよびガス拡散層３２ｂの端面との隙間９９に、酸化剤ガス入口連通孔２０ａの近傍、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍、および屈曲する流路３６ａ、３６ｂの近傍に対応して充填シール１００が設けられている。これにより、酸化剤ガスがガス拡散層３２ｂからカソード側電極９０の外周を通って排出されることがなく、この酸化剤ガスを効率的に使用することができ、発電性能を良好に向上させることが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、反応ガスが、電極とシール部材との隙間を流れることがなく、前記反応ガスを電極面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用することができ、発電性能を良好に向上させることが可能になる。しかも、電極とシール部材とに密着する充填シールを部分的に設けるだけでよい。これにより、構成が簡素化するとともに、経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図７】従来技術に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【符号の説明】
１０、８０…燃料電池１２、８２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、８４、８６…セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２２ａ…冷却媒体入口連通孔２２ｂ…冷却媒体出口連通孔
２４ａ…燃料ガス入口連通孔２４ｂ…燃料ガス出口連通孔
２６…固体高分子電解質膜２８、８８…アノード側電極
３０、９０…カソード側電極３２ａ、３２ｂ…ガス拡散層
３４ａ、３４ｂ…電極触媒層３６…酸化剤ガス流路
３８…酸化剤ガス流路溝４０…燃料ガス流路
４２…燃料ガス流路溝４４、１０２…冷却媒体流路
４６、１０４…冷却媒体流路溝
５０、５８、６６、９２、１０６…シール部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, an electrolyte / electrode structure in which an electrolyte is disposed between a pair of electrodes and a separator are stacked, and the separator has a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole penetrating in the stacking direction. And a fuel cell in which a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to the electrode is formed.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte (electrolyte membrane) / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). Is sandwiched between separators. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte / electrode structures and separators.
[0003]
In this fuel cell, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter, also referred to as a hydrogen-containing gas) is ionized on the electrode catalyst, and the cathode side passes through the electrolyte. Move to the electrode side. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas). And oxygen react to produce water.
[0004]
In this case, it is necessary to improve the sealing performance between the electrolyte / electrode structure and the separator. For example, a fuel cell shown in FIG. 7 is known (see Patent Document 1). This fuel cell includes a fuel cell 1 and first and second separators 2 and 3 that sandwich the fuel cell 1. The fuel battery cell 1 has a solid polymer electrolyte membrane 4 and a cathode side electrode 5 and an anode side electrode 6 disposed with the solid polymer electrolyte membrane 4 interposed therebetween, and the cathode side electrode 5 and the anode side. The electrode 6 is provided with gas diffusion layers 5a and 6a and electrode catalyst layers 5b and 6b.
[0005]
The solid polymer electrolyte membrane 4 has a protruding portion that protrudes from the outer periphery of the cathode side electrode 5 and the anode side electrode 6, and the first and second separators 2 and 3 have groove portions 2a corresponding to the protruding portions. 3a is formed. The liquid seal 7 is applied to the grooves 2a and 3a so that the protruding portion of the solid polymer electrolyte membrane 4 is in close contact, and the gas diffusion layers 5a and 6a and the electrode catalyst layer 5b of the cathode side electrode 5 and the anode side electrode 6 are provided. The end face with 6b is stuck.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laying-Open No. 2001-319667 (FIG. 7)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, as described above, the liquid seal 7 provided to cover the outer peripheries of the cathode side electrode 5 and the anode side electrode 6 is securely adhered to the end surfaces of the gas diffusion layers 5a and 6a and the electrode catalyst layers 5b and 6b. Is extremely difficult in practice due to processing tolerances and assembly tolerances. For this reason, a gap is easily generated between the liquid seal 7 and the gas diffusion layers 5a and 6a, and the reactive gas may leak into the gap. As a result, the oxidant gas and the fuel gas are discharged through the gap to the reaction gas outlet without flowing through the electrode surfaces of the cathode side electrode 5 and the anode side electrode 6, thereby maintaining efficient power generation performance. There is a risk that it cannot be done.
[0008]
On the other hand, although not shown, the cooling medium flow path to which the cooling medium for cooling the electrode surface is supplied similarly passes through the periphery of the electrode surface and does not flow along the electrode surface. There may be a cooling medium. For this reason, there exists a possibility that cooling efficiency may fall.
[0009]
The present invention solves this type of problem, and effectively prevents a fluid such as a reaction gas from flowing outside a predetermined fluid flow path, and can secure a desired power generation performance with a simple configuration. An object of the present invention is to provide a simple fuel cell.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell according to claim 1 of the present invention, an electrolyte / electrode structure in which an electrolyte is disposed between a pair of electrodes, and a separator are stacked, and a reactive gas inlet penetrating in the stacking direction is formed in the separator. A reaction gas flow path is formed which communicates the communication hole and the reaction gas outlet communication hole to supply the reaction gas to the electrode. The separator covers the periphery of the electrode and provides a seal member, and is in close contact with the outer peripheral end surface of the electrode and the seal member, and the reaction from the outer periphery of the electrode to the reaction gas inlet communication hole or the reaction gas outlet communication hole. A filling seal is provided in part to prevent gas leakage.
[0011]
For this reason, the reaction gas does not flow through the gap between the electrode and the seal member, and the reaction gas can be reliably supplied into the electrode surface. Therefore, it is possible to improve the power generation performance satisfactorily by using the reaction gas efficiently. Moreover, it is only necessary to partially provide a filling seal that is in close contact with the electrode and the sealing member. This simplifies the configuration and is economical.
[0012]
In the fuel cell according to claim 2 of the present invention, the filling seals are arranged in the vicinity of the reaction gas inlet communication hole and in the vicinity of the reaction gas outlet communication hole. This makes it possible to reliably seal the vicinity of the reaction gas inlet communication hole and the vicinity of the reaction gas outlet communication hole, in which reaction gas leakage is likely to occur, and the reaction gas leakage is as simple as possible with a simple configuration. Reduced to
[0013]
Furthermore, in the fuel cell according to claim 3 of the present invention, the reaction gas channel includes a bent channel, and the separator is bent to prevent the reaction gas from leaking from the bent channel. A filling seal is provided corresponding to the flow path. Therefore, for example, even with a serpentine type reaction gas flow path, it is possible to reliably prevent leakage of the reaction gas with a simple configuration.
[0014]
Furthermore, in the fuel cell according to claim 4 of the present invention, at least one separator is formed with a cooling medium flow path for cooling the electrode, and the one separator covers the periphery of the cooling medium flow path. A seal member is provided. The gap between the cooling medium flow path and the seal member is partially provided with a filling seal that prevents the cooling medium from leaking into the gap.
[0015]
Therefore, the cooling medium does not flow short-circuited from the cooling medium inlet communication hole to the cooling medium outlet communication hole, and can flow well along the cooling medium flow path. Thereby, the cooling efficiency of the electrode surface is effectively improved, and the configuration is simplified and economical.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an exploded perspective view of main parts of a fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory cross-sectional view of main parts of the fuel cell 10.
[0017]
The fuel cell 10 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 12 sandwiched between first and second separators 14 and 16. One end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B (horizontal direction in FIG. 1) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and oxidant for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. Agent gas inlet communication hole (reaction gas inlet communication hole) 20a, cooling medium outlet communication hole 22b for discharging the cooling medium, and fuel gas outlet communication hole (reaction gas) for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas Outlet communication holes) 24b are arranged in the direction of arrow C (vertical direction).
[0018]
A fuel gas inlet communication hole (reaction gas inlet communication hole) 24a for supplying fuel gas and a cooling medium are supplied to the other end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B, in communication with each other in the direction of arrow A. A cooling medium inlet communication hole 22a for the purpose and an oxidant gas outlet communication hole (reaction gas outlet communication hole) 20b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.
[0019]
The electrolyte membrane / electrode structure 12 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 26 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 28 and a cathode side electrode that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 26. 30.
[0020]
As shown in FIG. 2, the anode side electrode 28 and the cathode side electrode 30 include gas diffusion layers (porous carbon members) 32a and 32b made of carbon paper or the like, and porous carbon particles with platinum alloy supported on the surface. Electrode catalyst layers 34a and 34b formed uniformly on the surfaces of the gas diffusion layers 32a and 32b. The electrode catalyst layers 34a and 34b are bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 26 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 26 interposed therebetween.
[0021]
As shown in FIG. 1, on the surface 14a of the first separator 14 on the electrolyte membrane / electrode structure 12 side, for example, a serpentine type oxidant gas flow path (reactive gas) including two bent flow paths 36a and 36b. A flow path) 36 is provided. As shown in FIG. 3, the oxidant gas flow path 36 includes a plurality of oxidant gas flow path grooves 38, and the oxidant gas flow path grooves 38 meander in the horizontal direction (arrow B direction). It is provided toward the direction of gravity (arrow C direction). The oxidant gas flow channel groove 38 employs a flow channel structure that communicates with the oxidant gas inlet communication hole 20a and the oxidant gas outlet communication hole 20b and meanders by one reciprocal half in the direction of arrow B.
[0022]
The surface 16a of the second separator 16 on the electrolyte membrane / electrode structure 12 side communicates with the fuel gas inlet communication hole 24a and the fuel gas outlet communication hole 24b as shown in FIG. A serpentine type fuel gas flow path (reaction gas flow path) 40 including 40a and 40b is formed. The fuel gas channel 40 includes a plurality of fuel gas channel grooves 42 extending in the direction of gravity while meandering in the horizontal direction.
[0023]
As shown in FIGS. 1 and 2, a cooling medium communicating with the cooling medium inlet communication hole 22 a and the cooling medium outlet communication hole 22 b is provided between the surface 14 b of the first separator 14 and the surface 16 b of the second separator 16. A flow path 44 is formed. The cooling medium flow path 44 includes two bending flow paths 44a and 44b, and includes a plurality of cooling medium flow path grooves 46 that extend in the gravity direction while meandering in the horizontal direction.
[0024]
As shown in FIGS. 1 to 3, the surface 14 a of the first separator 14 covers the cathode side electrode 30, that is, the oxidant gas flow path 36, the oxidant gas inlet communication hole 20 a and the oxidant gas outlet communication. A seal groove 48 is formed so as to cover the hole 20 b, and the seal member 50 is disposed in the seal groove 48. As shown in FIGS. 2 and 3, a filling seal 54 that prevents the oxidant gas from leaking into the gap 52 is partially provided in the gap 52 between the cathode-side electrode 30 and the seal member 50.
[0025]
The filling seal 54 is, for example, a liquid seal, a solid filling seal, or the like, where the oxidant gas easily leaks, for example, near the oxidant gas inlet communication hole 20a, near the oxidant gas outlet communication hole 20b, and bent. Embedded in the vicinity of the flow paths 36a and 36b.
[0026]
2 and 4, the surface 16a of the second separator 16 covers the anode side electrode 28, that is, the fuel gas passage 40, the fuel gas inlet communication hole 24a, and the fuel gas outlet communication hole 24b. A seal groove 56 is formed so as to cover, and a seal member 58 is disposed in the seal groove 56.
[0027]
A filling seal 62 is provided in the gap 60 between the anode side electrode 28 and the seal member 58. The filling seal 62 is similar to the above-described filling seal 54 in a place where the fuel gas easily leaks, for example, in the vicinity of the fuel gas inlet communication hole 24a, in the vicinity of the fuel gas outlet communication hole 24b, and in the vicinity of the bent flow paths 40a and 40b. Embedded in.
[0028]
As shown in FIG. 1, a seal groove 64 is formed on the surface 16 b of the second separator 16 so as to cover the cooling medium flow path 44, and a seal member 66 is disposed in the seal groove 64. In the gap 68 between the cooling medium flow path 44 and the seal member 66, a place where the cooling medium easily leaks, for example, the vicinity of the cooling medium inlet communication hole 22a, the vicinity of the cooling medium outlet communication hole 22b, and the bent flow paths 44a and 44b. A filling seal 70 is embedded in the vicinity.
[0029]
The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below.
[0030]
First, as shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 24a, and an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 20a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a.
[0031]
For this reason, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 36 of the first separator 14 from the oxidant gas inlet communication hole 20a, and forms the electrolyte membrane / electrode structure 12 while meandering in the direction of arrow B. It moves along the electrode 30. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 40 of the second separator 16 from the fuel gas inlet communication hole 24a and along the anode side electrode 28 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 12 while meandering in the direction of arrow B. Move.
[0032]
Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 12, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 30 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 28 are subjected to an electrochemical reaction in the electrode catalyst layers 34a and 34b. It is consumed and power is generated.
[0033]
Next, the consumed fuel gas supplied to the anode side electrode 28 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 24b. Similarly, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 30 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 20b.
[0034]
The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a is introduced into the cooling medium flow path 44 between the first and second separators 14 and 16, and then circulates while meandering in the arrow B direction. This cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 22b after the electrolyte membrane / electrode structure 12 is cooled.
[0035]
In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, a serpentine type oxidant gas flow path 36 is formed on the surface 14a of the first separator 14, and this oxidant gas flow is formed. A seal member 50 is disposed in a seal groove 48 formed so as to cover the path 36. The gap 52 between the oxidant gas flow path 36 and the seal member 50 is located in the vicinity of the oxidant gas inlet communication hole 20a, in the vicinity of the oxidant gas outlet communication hole 20b, and in the vicinity of the bent flow paths 36a and 36b. Correspondingly, a filling seal 54 is provided.
[0036]
As described above, in the first embodiment, since the filling seal 54 is provided corresponding to the place where the oxidant gas easily leaks into the gap 52, the oxidant gas does not flow along the gap 52, and the oxidant gas does not flow. The agent gas can be reliably supplied into the electrode surface of the cathode side electrode 30. Therefore, the oxidant gas is not discharged from the gas diffusion layer 32b through the outer periphery of the cathode side electrode 30, the oxidant gas can be used efficiently, and the power generation performance can be improved satisfactorily. The effect that it becomes possible is obtained.
[0037]
Moreover, it is only necessary to provide the filling seal 54 corresponding to the place where the oxidant gas easily leaks into the gap 52. For this reason, while the structure of the 1st separator 14 is simplified effectively, this 1st separator 14 can be manufactured economically.
[0038]
On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 4, a serpentine type fuel gas channel 40 is formed on the surface 16a of the second separator 6 in the same manner as the oxidant gas channel 36 described above. A seal member 58 is provided to cover the path 40. In the gap 60 between the seal member 58 and the fuel gas passage 40, a filling seal 62 is provided corresponding to a place where the fuel gas easily leaks.
[0039]
Thus, the fuel gas is not discharged from the gas diffusion layer 32a through the gap 60 into the fuel gas outlet communication hole 24b. Therefore, the same effect as that of the first separator 14 can be obtained, for example, the fuel gas can be efficiently used to improve the power generation performance.
[0040]
As shown in FIG. 1, a serpentine type cooling medium flow path 44 is formed on the surface 16 b of the second separator 16, and a seal member 66 is provided to cover the cooling medium flow path 44. Further, a filling seal 70 is provided in a gap 68 between the seal member 66 and the cooling medium flow path 44 corresponding to a place where the leakage of the cooling medium is likely to occur.
[0041]
For this reason, the cooling medium does not leak into the gap 68 and can flow well along the cooling medium flow path 44. Thereby, there is an advantage that the cooling efficiency of the electrode surface of the electrolyte membrane / electrode structure 12 is effectively improved and is economical.
[0042]
FIG. 5 is an exploded perspective view of main parts of a fuel cell 80 according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an explanatory cross-sectional view of main parts of the fuel cell 80. The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0043]
The fuel cell 80 includes an electrolyte membrane / electrode structure 82 sandwiched between first and second metal separators 84 and 86. The electrolyte membrane / electrode structure 82 includes an anode side electrode 88 and a cathode side electrode 90 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 26, and the anode side electrode 88 has a larger surface area than the cathode side electrode 90. is doing. The gas diffusion layer 32a constituting the anode side electrode 88 is provided with an outer peripheral edge portion 85 projecting outward from the outer peripheral portion of the gas diffusion layer 32b constituting the cathode side electrode 90.
[0044]
As shown in FIG. 6, the first metal separator 84 is provided with a seal member 92 or is provided by baking or the like. The seal member 92 has a seal main body portion 94 disposed between the solid polymer electrolyte membrane 26 and the first metal separator 84 in correspondence with the outer peripheral edge portion 85 of the gas diffusion layer 32a constituting the anode side electrode 88. Prepare. A flow path forming portion 96 interposed between the outer peripheral edge portion of the gas diffusion layer 32 b and the first metal separator 84 is integrally formed in the seal main body portion 94.
[0045]
The seal main body 94 surrounds the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane 26 and the oxidant gas inlet communication hole 20a and the oxidant gas outlet communication hole 20b (see FIG. 5). The flow path forming part 96 is formed thinner than the seal main body part 94, and is provided so as to go around the outer peripheral edge part of the gas diffusion layer 32b. The seal member 92 is formed integrally with the seal main body portion 94 and is provided with two flow path boundary seal portions 98 disposed in the folded portion of the oxidant gas flow channel 36.
[0046]
As shown in FIG. 6, the gap 99 between the sealing member 92 and the gas diffusion layer 32b constituting the cathode side electrode 90 and the end face of the gas diffusion layer 32b is filled to prevent the oxidant gas from leaking into the gap 99. A seal 100 is partially provided. The filling seal 100 is, for example, a liquid seal, a solid filling seal, or the like, where the oxidant gas easily leaks, for example, near the oxidant gas inlet communication hole 20a, near the oxidant gas outlet communication hole 20b, and bent. Embedded in the vicinity of the flow paths 36a and 36b (see FIG. 5).
[0047]
As shown in FIGS. 5 and 6, a cooling medium flow path 102 communicating with the cooling medium inlet communication hole 22 a and the cooling medium outlet communication hole 22 b is formed between the first and second metal separators 84 and 86. . The cooling medium flow path 102 includes a plurality of cooling medium flow path grooves 104 extending in the arrow B direction. A seal member 106 is interposed between the first and second metal separators 84 and 86 at a position facing the seal body 94 of the seal member 92. The cooling medium flow path 102 communicates with the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b through the seal member 106 and is kept airtight.
[0048]
In the second embodiment configured as described above, in the gap 99 between the seal member 92 and the gas diffusion layer 32b of the cathode side electrode 90 and the end face of the gas diffusion layer 32b, in the vicinity of the oxidant gas inlet communication hole 20a, oxidation is performed. Filling seals 100 are provided corresponding to the vicinity of the agent gas outlet communication hole 20b and the vicinity of the bent flow paths 36a and 36b. As a result, the oxidant gas is not discharged from the gas diffusion layer 32b through the outer periphery of the cathode side electrode 90, the oxidant gas can be used efficiently, and the power generation performance is improved satisfactorily. The same effect as the first embodiment can be obtained.
[0049]
【The invention's effect】
In the fuel cell according to the present invention, the reaction gas does not flow through the gap between the electrode and the seal member, and the reaction gas can be reliably supplied into the electrode surface. Accordingly, the reaction gas can be used efficiently, and the power generation performance can be improved satisfactorily. Moreover, it is only necessary to partially provide a filling seal that is in close contact with the electrode and the sealing member. This simplifies the configuration and is economical.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view of a main part of the fuel cell.
FIG. 3 is a front explanatory view of a first separator constituting the fuel cell.
FIG. 4 is a front explanatory view of a second separator constituting the fuel cell.
FIG. 5 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory cross-sectional view of a main part of the fuel cell.
FIG. 7 is a cross-sectional explanatory view of a main part of a conventional fuel cell.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 80 ... Fuel cell 12, 82 ... Electrolyte membrane electrode assembly 14, 16, 84, 86 ... Separator 20a ... Oxidant gas inlet communication hole 20b ... Oxidant gas outlet communication hole 22a ... Cooling medium inlet communication hole 22b ... Cooling medium outlet communication hole 24a ... Fuel gas inlet communication hole 24b ... Fuel gas outlet communication hole 26 ... Solid polymer electrolyte membrane 28, 88 ... Anode side electrode 30, 90 ... Cathode side electrode 32a, 32b ... Gas diffusion layer 34a, 34b ... Electrode catalyst layer 36 ... Oxidant gas flow path 38 ... Oxidant gas flow path groove 40 ... Fuel gas flow path 42 ... Fuel gas flow path groove 44, 102 ... Cooling medium flow path 46, 104 ... Cooling medium flow path groove 50 , 58, 66, 92, 106 ... sealing members

Claims

An electrolyte / electrode structure in which an electrolyte is disposed between a pair of electrodes and a separator are stacked, and the separator communicates with a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole penetrating in the stacking direction. A fuel cell having a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to the electrode,
The separator is provided with a seal member covering the periphery of the electrode,
A filling seal that is in close contact with the outer peripheral end surface of the electrode and the seal member and that prevents the reaction gas from leaking from the outer periphery of the electrode to the reaction gas inlet communication hole or the reaction gas outlet communication hole is partially provided. The fuel cell characterized by the above-mentioned.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the filling seal is disposed in the vicinity of the reaction gas inlet communication hole and in the vicinity of the reaction gas outlet communication hole.

3. The fuel cell according to claim 1, wherein the reactive gas flow path includes a bent flow path, and the separator is bent in order to prevent the reaction gas from leaking from the bent flow path. A fuel cell, wherein the filling seal is provided corresponding to a flow path.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one separator is formed with a cooling medium flow path for cooling the electrode,
The one separator is provided with a seal member covering the periphery of the cooling medium flow path,
The fuel cell according to claim 1, wherein a gap between the cooling medium flow path and the seal member is partially provided with a filling seal that prevents the cooling medium from leaking into the gap.